Практикум по гидротехническим сооружениям (стр. 9 )

, (2.16)

величину N по зависимости

, (2.17)

где hб – бытовая глубина воды в отводящем канале, м;

μ= φ ε´ – коэффициент расхода (или по табл. 2.4);

hс = ε´а – глубина воды в сжатом сечении, м.

Коэффициенты φ и ε´ имеют такие же значения, как и при истечении через незатопленное отверстие.

Истечение будет подтопленным, если hб>,

где – глубина, сопряженная с hс.

Глубина, сопряженная с сжатой, определяется по формуле

. (2.18)

Следует отметить, что при работе регулятора с неподтопленной струей в случае необходимости проектируют гасители избыточной энергии, используя зависимости, приведенные ниже.

Пример 2.1. Определить ширину шлюза-регулятора для пропуска расхода Q = 38,0 м3/с. Напор на пороге регулятора равен глубине воды в подводящем канале – Н = 2,5 м.

Расчет ширины регулятора будем проводить по схеме водослива с широким порогом, предположив подтопленный характер истечения (см. рис. 2.6, б).

Принимаем, что переход от канала к сооружению выполнен по типу раструб-воронки, что обеспечивает плавный переход потока воды от канала к сооружению. В этом случае, при отсутствии на входе порога, φ = 0,95. Коэффициент бокового сжатия ε принимаем предварительно равным 0,85. Задаемся разностью уровней z = z0 = 0,20 м.

Тогда h = H - z = 2,5 - 0,2 = 2,3 м.

Из формулы (2.1) определяем ширину сооружения:

м.

Принимаем три пролета шириной, согласно табл. 2.2, по b = 3,5 м.

Определяем полную ширину регулятора с учетом принятых нормативных отверстий, предварительно приняв толщину бычков t = 0,15×b=0,15·3,5 ≈ 0,50 м.

Полная ширина регулятора

B0 = nb + t(n – 1) = 3×3,5 + 0,5(3 – 1) = 11,5 м.

Определяем напор с учетом скорости подхода:

,

где v – скорость подхода потока, м/с.

м/с.

м.

Форму бычков принимаем заостренной, для которой ζ = 0,7.

По зависимости (2.3) уточняем значение коэффициента бокового сжатия:

Далее из формулы (2.1) определяем величину z0:

Без учета скорости подхода разность уровней

Уточняем глубину воды на пороге регулятора:

H = hn = H – z = 2,5 - 0,1 = 2,4 м.

Проверяем правильность предположения о характере истечения, для чего определяем критическую глубину на пороге водослива:

м.

Тогда 1,25 hкр = 1,25 · 1,11 = 1,38 м.

Так как hп = 2,4 м > 1,25 hкр = 1,38м, то водослив подтоплен, что указывает на правильность принятого предположения о характере истечения.

2.4. Трубчатые сооружения

Общие сведения. Трубчатые регуляторы или, просто, трубы-регуляторы (ТР) применяют обычно при расходах до 15…20 м/с и напорах до 1,5…2,0 м, а также при необходимости устройства переезда через канал.

Наиболее широко в мелиоративном и дорожном строительстве используются железобетонные сборные трубы.

По числу уложенных труб их делят на одноочковые и многоочковые, чаще – двух - и трехочковые.

По характеру работы при пропуске воды трубы разделяют на безнапорные, полунапорные и напорные.

Конструктивная схема трубчатого регулятора (рис. 2.8). Трубчатый регулятор включает входной оголовок, затворы, водопроводящую часть в виде трубы, выходной оголовок, гаситель и переходные участки. Затворы применяют плоские, коробчатые, циркульные и располагают их чаще на входе в трубу, реже – на выходе из нее. При расположении затвора на выходе труба всегда находится под напором, поэтому повышаются требования к ее фильтрационной защите и создаются условия заиления трубы в нерабочем состоянии, но при этом имеются определенные удобства для управления работой регулятора и водоучета.

Рис. 2.8. Конструкция трубы-регулятора института «Белгипроводхоз»

(а) и схемы к гидравлическому расчету труб для режимов: б – безнапорного;

в – полунапорного (частично напорного); г – напорного.

Гидравлический расчет. При расчетах трубчатых сооружений рассматривают входной и выходной участки. Расчет входного участка заключается в определении площади живого сечения и размеров трубы, выходного – в обеспечении сопряжения с нижним бьефом.

Гидравлический расчет входного участка труб выполняют в зависимости от условий их работы.

Различают следующие режимы работы труб:

1) безнапорный, когда входное и выходное сечения не затоплены и на всем протяжении трубы поток имеет свободную поверхность (см. рис. 2.8, б), т. е. Н1 < hтр (d); Н2 < hтр (d), где Н1 и Н2 – соответственно глубина воды перед трубой и за трубой; hтр и d – высота и диаметр трубы;

2) полунапорный, когда входное сечение трубы затоплено, т. е. на входе труба работает полным сечением, а на остальном протяжении поток имеет свободную поверхность (см. рис. 2.8, в), Н1 > hтр (d) и Н2 < hтр (d);

3) напорный, когда входное сечение трубы затоплено и на всей своей протяженности труба работает полным сечением, т. е. Н1 > 1,2hтр (d) и Н2 > hтр (d), (см. рис. 2.8, г).

При выборе режима работы трубы следует учитывать, что наиболее безопасным является безнапорный режим с обеспечением возвышения высшей точки её внутренней поверхности над поверхностью воды, при котором возможно проплывание через трубу некрупных предметов. Следует отметить, что безнапорный режим достаточно устойчив, не вызывает колебания уровней воды в бьефах, позволяет оборудовать сооружение автоматическими водомерными и водорегулирующими устройствами, гарантирует надежную работу стыков между звеньями труб, но живое сечение трубы при этом используется не полностью. При затоплении входного сечения через трубу проходит больший расход воды, но при этом возникают дополнительные трудности в эксплуатации сооружений. Наиболее опасным является переход от полунапорного к напорному и неустойчивый напорный режим, при которых в трубе возникает переменное давление как больше, так и меньше атмосферного, т. е. возникают повышенные динамические нагрузки на стенки и стыки труб.

В этом случае возможно просачивание воды через швы и трещины, что приведет к потере несущей способности насыпи. При работе трубы с затопленным входом должна быть обеспечена водонепроницаемость стыков звеньев и блоков, отсутствие сквозных трещин, а также устойчивость насыпи против воздействия подпора воды и ее фильтрации через тело насыпи.

В связи с вышеизложенным, полунапорный режим в сооружениях мелиоративных систем применять не рекомендуется, тем более следует избегать его как переходного, когда от напорного он периодически переходит в безнапорный.

При затоплении обоих оголовков трубы возникает напорный режим работы. Отрицательные его стороны – чрезвычайно тяжелые условия работы стыков между звеньями труб и наличие вакуума в трубе, что осложняет эксплуатацию автоматических регулирующих устройств. Однако пропускная способность трубы в напорном режиме, относительно безнапорного, может возрастать в несколько раз, в зависимости от напора, что позволяет получить существенный экономический эффект за счет уменьшения площади поперечного сечения труб.

В связи с вышеизложенным, далее будем рассматривать только два режима работы труб; безнапорный и напорный.

Безнапорный режим работы трубы. При безнапорном режиме протекания (по условиям работы мелиоративных и дорожных водопропускных труб) основным является случай, когда сжатое сечение не затоплено и пропускная способность зависит только от условий входного участка трубы (до сечения, в котором спокойный поток переходит в бурный – при «длинных» трубах).

Когда сжатое сечение затоплено, пропускная способность трубы снижается.

Затопление сжатого сечения может быть вызвано влиянием сопротивления на всем протяжении трубы при относительно большой ее длине и малом уклоне, повышенной шероховатостью или затоплением с нижнего бьефа.

В зависимости от влияния длины трубы на пропускную способность различают «короткие» и «длинные» трубы.

У «коротких» труб сжатое сечение не затоплено, и общая длина их не оказывает влияния на пропускную способность, а глубина воды в трубе примерно равна сжатой глубине hсж. В «длинных» трубах сжатое сечение затоплено, и на протяжении всей длины трубы сохраняется спокойный поток, вследствие чего сопротивления по длине трубы влияют на пропускную способность.

Предельная длина «коротких» труб при iт @ 0, т. е. при уклоне трубы, близким к нулю, для бетонных труб с обычной (неповышенной) шероховатостью может быть определена по эмпирическим зависимостям:

(2.19)

(2.20)

где lпр – предельная длина «коротких» труб;

Н10 – глубина воды перед трубой с учетом скоростного напора;

hкр – критическая глубина воды в трубе;

m – коэффициент расхода; определяется по табл. 2.6.

При уклонах трубы, близких к критическому, значения lпр, подсчитанные по формулам (2.19) и (2.20), увеличивают на 30 %.

При уклоне трубы больше критического, т. е. iтр > iкр, трубы любой длины являются «короткими».